懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、參考范文開(kāi)題報(bào)告 （ 200 屆） 題 目 懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué) 院 物理電氣信息學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 電氣工程與自動(dòng)化 年 級(jí) 0 學(xué)生學(xué)號(hào) 1200 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2010年 3 月 1 日一、課題來(lái)源物理電氣信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)指南二、 選題的意義以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及人們生活水平的逐步提高，各種方便于生活的自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入了人們的生活，以單片機(jī)為核心的懸掛運(yùn)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)就是其中之一。 在現(xiàn)代的工業(yè)控制、車(chē)輛運(yùn)動(dòng)和醫(yī)療設(shè)備等系統(tǒng)中，懸掛運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越多，在這些系統(tǒng)中懸掛運(yùn)動(dòng)部件通常是具體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因而懸掛部件的運(yùn)動(dòng)精確性是整個(gè)系統(tǒng)工作效能的決定因素

2、，而在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的精確控制是非常困難的?？扛淖儜覓毂豢貙?duì)象的繩索長(zhǎng)短來(lái)控制被控對(duì)象運(yùn)動(dòng)軌跡的懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，在生產(chǎn)控制等領(lǐng)域有很廣的應(yīng)用范圍，但受技術(shù)上的制約，使用也有一定限制。采用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編輯門(mén)列陣）作為系統(tǒng)控制器。FPGA可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，集成度高，體積小，穩(wěn)定性好，并且可利用EDA軟件進(jìn)行仿真和調(diào)試。FPGA采用并行工作方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，常用于大規(guī)模實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA的高速處理能力得不到充分發(fā)揮。所以在本次設(shè)計(jì)中，主要是以單片機(jī)AT89C52作為控制核心，并與LED液晶顯示芯片、步進(jìn)電機(jī)、單光束反射取樣式光電傳感

3、器，4*4鍵盤(pán)和鼠標(biāo)相結(jié)合的系統(tǒng)。充分發(fā)揮了單片機(jī)的性能。以單片機(jī)AT89C52芯片設(shè)計(jì)懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器，通過(guò)輸入模塊傳送控制參數(shù)，采用C語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，對(duì)懸掛運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行精確的控制。其優(yōu)點(diǎn)硬件電路簡(jiǎn)單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性?xún)r(jià)比較高等特點(diǎn)，具有一定的使用價(jià)值。運(yùn)動(dòng)軌跡控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于航天、軍事、機(jī)器人控制、數(shù)控機(jī)床及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制和精密測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展和迅速應(yīng)用，在各領(lǐng)域特別在制造業(yè)，正向高速、高精度、多功能、智能化、開(kāi)放型以及高可靠性等方面迅速發(fā)展。近二十年來(lái)，科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算

4、機(jī)技術(shù)和控制理論的發(fā)展，使得電機(jī)的應(yīng)用不再局限于工業(yè)應(yīng)用，而且在商業(yè)及家用設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域獲得更加廣泛的應(yīng)用。而隨著新材料如稀土永磁材料Nd-Fe-B，磁性復(fù)合材料的出現(xiàn)，更給電機(jī)設(shè)計(jì)插上翅膀，各種新型，高效特種電機(jī)層出不窮。這些都極大地豐富了電機(jī)理論，拓寬了電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)給電機(jī)設(shè)計(jì)和制造工藝提出了更高的要求。當(dāng)今世界，工業(yè)生產(chǎn)越來(lái)越要求自動(dòng)化、省人力、效率高等特點(diǎn)，工廠里的很多自動(dòng)化控制系統(tǒng)都用到了電機(jī)。綜上所述，研究如何來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)在當(dāng)今世界具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外許多行業(yè)中都有著廣泛的應(yīng)用。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

5、懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。為了滿(mǎn)足發(fā)展的不斷需要，廣大設(shè)計(jì)人員正尋求從硬件和軟件兩個(gè)方面取得更大的突破。懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)該解決的主要問(wèn)題是控制器如何控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)控制器發(fā)出脈沖驅(qū)動(dòng)，讓兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，改變兩端吊繩的長(zhǎng)度，從而使吊繩上的物體在傾斜的板面上運(yùn)動(dòng)，在物體上固定有淺色的畫(huà)筆，一邊運(yùn)動(dòng)時(shí)在板上畫(huà)出運(yùn)動(dòng)軌跡。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。硬件設(shè)計(jì)的核心是控制模塊，主要解決單片機(jī)與電機(jī)的接口和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。軟件設(shè)計(jì)主要對(duì)懸掛運(yùn)動(dòng)物體做各種不同的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行編程。三、研究?jī)?nèi)容、方法、手段及預(yù)期成果1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案與控制策略選擇 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案選擇核心控制器方案選

6、擇方案一：采用傳統(tǒng)的8位89C52單片機(jī)作為運(yùn)動(dòng)物體的控制中心。52單片機(jī)具有價(jià)格低廉,使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但其運(yùn)算速度低，功能單一，RAM、ROM空間小等缺點(diǎn)。本題目在確定圓周坐標(biāo)值時(shí)，需要進(jìn)行大量的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，若采用89C52需要做RAM，ROM來(lái)擴(kuò)展其內(nèi)存空間，其硬件工作量將會(huì)增多。方案二：采用16位單片機(jī)SPCE061A作為運(yùn)動(dòng)物體的控制中心。SPCE061A具有豐富的資源：RAM，ROM空間大、指令周期短、運(yùn)算速度快、低功耗、低電壓、可編程音頻處理，易于編寫(xiě)和調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。尤其在復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，其運(yùn)算速度快，精度高，在控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)運(yùn)行速度比一般52單片機(jī)快。由于我目前手中沒(méi)有16位單片機(jī)

7、SPCE061A的開(kāi)發(fā)環(huán)境和仿真軟件，而89C52可以采用傳統(tǒng)的keil和protues軟件結(jié)合，易于實(shí)現(xiàn)仿真工作，具有較強(qiáng)的說(shuō)服力。 基于上述分析，擬選擇方案一。位置測(cè)量方案的選擇方案一：采用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)懸掛物體的定位。由于步進(jìn)電機(jī)可對(duì)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行精確控制，因此可以得到懸掛線(xiàn)的精確角位移，從而可以計(jì)算出線(xiàn)位移，進(jìn)而可以得到懸掛物的精確位置，實(shí)現(xiàn)懸掛物的精確定位。常用的有兩相四線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)與兩相六線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)等，轉(zhuǎn)動(dòng)一步精度可達(dá)到0.9°，線(xiàn)位移誤差可以達(dá)到毫米級(jí)。步進(jìn)電機(jī)以L298芯片作為時(shí)序脈沖產(chǎn)生電路，就能實(shí)現(xiàn)控制效果，硬件電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。方案二：采用直流電機(jī)結(jié)合光電

8、碼盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)懸掛物體的定位。此方案是將光電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移量，是工業(yè)控制中常用的方法。編碼盤(pán)轉(zhuǎn)軸與直流電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連，通過(guò)安裝在碼盤(pán)兩側(cè)的透射式紅外對(duì)管測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角位移，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，精度可以得到保證。只是電機(jī)角位移的測(cè)量電路與直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于實(shí)現(xiàn)。在本設(shè)計(jì)中，因考慮到畫(huà)筆畫(huà)圖準(zhǔn)確性與電路復(fù)雜性，選擇第一種方案，并采用控制性能高的步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制運(yùn)動(dòng)物體。任意軌跡探測(cè)方案的選擇方案一：采用反射式紅外傳感器陣列。通過(guò)多個(gè)紅外頭的探測(cè)信號(hào)得到懸掛物的行走軌跡。由于黑色物體與白色物體的反射系數(shù)不同，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)黑白物體的分辨。這是一種普遍的應(yīng)用。但其缺點(diǎn)是（1）、要不斷地調(diào)整各傳感器之

9、間的距離，否則，由于反射距離較短，紅外反射功率較小。如果板面的紙張凸凹不平，或白紙表面有雜物，也會(huì)使單片機(jī)誤判。（2）、由于板面的黑線(xiàn)可能是墨水或者膠布，兩種顏色都是黑的，但經(jīng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它們的反光程度均不同，也會(huì)對(duì)紅外傳感器造成一定干擾。方案二：采用光電傳感器檢測(cè)。當(dāng)光線(xiàn)照射到滑塊運(yùn)動(dòng)的表面上時(shí)，會(huì)發(fā)生反射。由于黑線(xiàn)與白紙的反射系數(shù)不同，光電傳感器可根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱來(lái)判斷是否偏離黑線(xiàn)。使用五個(gè)集成的反射式光電傳感器，一個(gè)固定在懸掛物體的中間，其余四個(gè)位于懸掛物體的邊上，中間的傳感器可以起到主控作用，引起中斷。當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，若中間的傳感器的狀態(tài)沒(méi)有變化，則周?chē)膫€(gè)傳感器不會(huì)引起運(yùn)動(dòng)的變化

10、，而繼續(xù)原來(lái)的運(yùn)動(dòng)。只有當(dāng)中間傳感器的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，才看周?chē)膫€(gè)傳感器是否有狀態(tài)變化，根據(jù)最先變化的傳感器來(lái)確定物體運(yùn)動(dòng)偏離方向，然后單片機(jī)控制電機(jī)調(diào)整懸掛物體的運(yùn)動(dòng)，直至中間的傳感器恢復(fù)原狀態(tài)為止?；谝陨戏治霰容^，選用了抗干擾能力強(qiáng)的方案二。經(jīng)過(guò)反復(fù)比較與論證，最終確定系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下圖所示：液晶顯示模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊單片機(jī)AT89C52物體尋跡模塊鍵盤(pán)輸入模塊 系統(tǒng)框圖 控制策略的方案選擇（PID，模糊PID等）方案一：采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)電機(jī)輸出量的測(cè)量，來(lái)實(shí)現(xiàn)距離量的測(cè)量。因開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)不具有修正由于擾動(dòng)而出現(xiàn)的懸掛模塊實(shí)際走過(guò)的路程與計(jì)算輸出量的偏差，故抗干擾能力差。方案二：

11、采用局部閉環(huán)控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的指定軌跡上，加入反饋修正子模塊。在外壁不導(dǎo)電的漆包線(xiàn)上，每隔一段固定距離，刮掉一小段油漆露出導(dǎo)線(xiàn)芯，通過(guò)對(duì)導(dǎo)線(xiàn)芯的探測(cè)，達(dá)到測(cè)量實(shí)際路程值的目的，構(gòu)成一個(gè)局部閉環(huán)控制系統(tǒng)。顯然，局部閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)精度有很大程度提高，故選擇方案二。2. 軟件設(shè)計(jì)該軟件主要由四部分組成：主程序、中斷子程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序和液晶顯示子程序。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用了C語(yǔ)言，利用keil與protues軟件，實(shí)現(xiàn)懸掛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真，從而完成了設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能和指標(biāo)要求。三、 任務(wù)完成的階段安排及時(shí)間安排 13周 查閱文獻(xiàn)資料,深入了解該系統(tǒng)的原理與控制方法寫(xiě)文獻(xiàn)綜述 參考文獻(xiàn)1 潘新民,王燕芳編著. 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)M . 北京:電子工業(yè)出版社,2004.2 孫鶴旭編著. 交流步進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)M . 北京. 機(jī)械工業(yè)出版社,1996.3 吳守緘,臧英杰著. 電氣傳動(dòng)的脈寬調(diào)制控制技術(shù)M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.4 王曉民,王鈴編著. 電動(dòng)機(jī)的DSP 控制M . 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.5 譚浩強(qiáng)